汽車底盤后懸位置零部件臺架試驗方法應用研究

朱 平，秦玉彬，吳 頌，滕文文，王 毅

（1.廣西柳工機械股份有限公司 全球研發(fā)中心，廣西 柳州 545005；2.東風柳州汽車有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州 545005；3.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

汽車零部件的失效問題，主要都是由振動疲勞導致的。因此在新車型開發(fā)過程中，臺架振動可靠性試驗是驗證零部件結(jié)構(gòu)可靠性的首選手段。

臺架可靠性試驗是基于汽車使用工況下的振動特征來開展的，目前汽車底盤零部件常用的臺架可靠性試驗方法依據(jù)日本汽車工業(yè)標準“JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法”[1]進行。應用此試驗方法設定相應試驗參數(shù)，在汽車底盤前部的臺架可靠性試驗驗證，完全滿足后期的可靠性試驗及用戶使用要求。然而某汽車后輪擋泥板支架，安裝位置在底盤后懸架中心至車架尾端范圍內(nèi)，按“JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法”做臺架可靠性試驗時，發(fā)現(xiàn)后擋泥板支架雖然通過臺架可靠性試驗，但在道路可靠性試驗中卻頻繁出現(xiàn)斷裂問題。這說明此試驗方法設定的試驗強度不足以驗證底盤后懸位置零部件的可靠性，要要尋求新的試驗方法及參數(shù)設定。

本文采用加速疲勞分析方法，基于零部件臺架與道路可靠性試驗累積疲勞損傷等效的原則，將道路試驗采集到車輛零部件關鍵點的時域載荷信號轉(zhuǎn)化后用于臺架試驗。經(jīng)過多輪的疲勞測試對比分析，驗證出一種強化的臺架試驗方法，以充分驗證汽車后懸位置的零部件可靠性，避免零部件的過度設計或故障產(chǎn)生。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 試驗方法理論

臺架可靠性試驗基于汽車使用工況下的振動特征來開展。汽車的振動來源主要有2個方面：第1個來源為發(fā)動機、驅(qū)動動力導致的振動，其表現(xiàn)形式為正弦振動；第2個來源為路面輪胎導致的振動，由于路面工況復雜多樣，振動表現(xiàn)形式多為隨機振動。隨機振動波形比較雜亂，波形隨時間變化，顯示不出一定的規(guī)律特征。但是通過分析，隨機振動也是由正弦振動所組成的，這些頻率不是離散，是連續(xù)分布的[2]。因此我們研究時，通過技術(shù)處理，一般也轉(zhuǎn)化為正弦振動來開展驗證。如圖1所示。

圖1 隨機振動的波形處理為正弦振動波形

“JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法”為典型的正弦振動試驗方法。振動加速度按正弦波振動加速度±a為：

其中，噪=2π2≈19.74；f為振動頻率，Hz；A為全振幅，mm。

簡諧振動中，高次諧波含有率K為：

式中，a1為基本振動波加速度，m/s2；a2，a3，a4……為第二次，第三次，第四次……振動波的振動加速度，m/s2。

1.2 現(xiàn)狀臺架可靠性試驗參數(shù)設定

依照本試驗方法，底盤零部件的振動試驗，按被安裝的汽車的種類分為第三種貨車系列，按安裝狀態(tài)分為B類車體上，且一般底盤件按階段45，階段70的試驗條件進行試驗，如圖2所示。

圖2 振動加速度階段

綜上，臺架可靠性試驗參數(shù)設置按表1。

表1 臺架試驗參數(shù)

共振點檢測參數(shù)設置按表2。

表2 共振點檢測試驗參數(shù)

1.3 目前臺架可靠性試驗參數(shù)與故障位置零件實際振動加速度的對比

為了找出臺架可靠性試驗與道路可靠性試驗加速度的差異，準備一臺車進行道路可靠性試驗加速度數(shù)據(jù)采集，采集位置如圖3所示。

圖3 加速度采集安裝

采集道路包括如下典型路況：鵝卵石路、搓板路、坑洼路等。加速度數(shù)據(jù)采集后，導入matlab等軟件進行處理，加速度數(shù)據(jù)采集結(jié)果見表3。

表3 道路試驗加速度采集結(jié)果

對比結(jié)論：加速度采集點A，X/Y/Z向加速度，與現(xiàn)臺架試驗方法加速度基本一致，說明用現(xiàn)有臺架試驗驗證方法與道路可靠性試驗數(shù)據(jù)是吻合的，驗證汽車底盤前部的零部件無問題。

加速度采集點B，X/Y/Z向加速度較臺架可靠性試驗的大，具體數(shù)值見表4。

表4 加速度采集點B與臺架試驗參數(shù)對比

從表4數(shù)據(jù)可以得出，汽車底盤后懸位置擋泥板支架，臺架可靠性試驗參數(shù)與道路可靠性試驗采集數(shù)據(jù)有如表5的差異。

表5 臺架試驗參數(shù)與道路可靠性試驗差異

上述試驗結(jié)果說明，現(xiàn)狀臺架可靠性試驗方法，按目前臺架試驗參數(shù)，不足以驗證底盤后懸位置零部件的可靠性。

2 優(yōu)化對比

2.1 分析思路

采用加速疲勞分析[3]方法，基于零部件臺架與道路可靠性試驗累積疲勞損傷等效的原則，通過道路試驗采集到車輛零部件關鍵點的時域載荷信號，再將該信號轉(zhuǎn)化后用于臺架試驗，重新驗證新的臺架試驗參數(shù)。

2.2 理論依據(jù)

由疲勞損傷理論[4]可知，零件在外部載荷的重復作用下會產(chǎn)生疲勞損傷，直至達到材料疲勞極限而損壞，將材料的疲勞性能用疲勞強度與疲勞壽命之間的關系來描述，記得S-N曲線，如圖4所示。

圖4 S-N曲線示意圖

在循環(huán)載荷交變作用下，零件疲勞損傷隨時間逐漸積累，直至產(chǎn)生失效，根據(jù)邁因納（Miner）線性損傷累積理論，零件在經(jīng)過不同循環(huán)載荷產(chǎn)生疲勞累積損傷，其表達式為：

式中，D為累積疲勞損傷，當D=1時零部件預計出現(xiàn)試銷；ni為第i個載荷作用與零件的循環(huán)次數(shù)；Ni為零件在第i個載荷作用下失效時的循環(huán)次數(shù)。

道路-臺架試驗載荷原理為將車輛零部件在道路行駛環(huán)境下的載荷作為目標，講該測量點在試驗臺架上的程序加載作為源，根據(jù)材料的S-N曲線計算疲勞損傷，則累積疲勞損傷矩陣為：

根據(jù)線性損傷累積理論，則用噪種程序加載方式混合得到的源的總損傷矩陣為：

式中，Ah為試驗臺架加載程序的加權(quán)系數(shù)；h為試驗臺架第h次加載(從第1次到第噪次）。

疲勞壽命相等則認為具有相等的疲勞損傷，為了等效目標疲勞損傷，則D=d。

2.3 道路和臺架試驗疲勞應力數(shù)據(jù)采集

基于上述理論及方法，對某汽車擋泥板支架的臺架及道路試驗疲勞應力進行采集，分析流程如圖5所示。

圖5 加速疲勞分析流程

將應變片安裝在擋泥板支架的故障發(fā)生位置，將加速度傳感器安裝在車架尾端，分別按現(xiàn)試驗方法開展疲勞應力數(shù)據(jù)采集及道路試驗加速度采集，如圖6所示。

圖6 道路和臺架試驗數(shù)據(jù)采集

電測時的數(shù)據(jù)信號會存在異常情況，應用matlab軟件，對采集數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的出現(xiàn)短數(shù)據(jù)、干擾信號、信號漂移等情況進行分析及處理。如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)信號處理

2.4 加速疲勞分析及優(yōu)化

（1）對采集的疲勞應力數(shù)據(jù)處理。將擋泥板支架的臺架試驗和道路試驗的應力累積損傷進行對比，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)狀臺架試驗和道路試驗的應力累積損傷對比

對比結(jié)論：臺架試驗損傷包絡線與道路試驗損傷包絡線相差很大，且在其內(nèi)部，說明臺架試驗的累積損傷遠小于道路試驗的累積損傷水平。

（2）臺架試驗加速度優(yōu)化。基于疲勞損傷等效原則，對原有臺架試驗參數(shù)進行優(yōu)化，如表6所示。

表6 臺架試驗參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化后臺架試驗與道路試驗應力累積損傷對比如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后臺架試驗和道路試驗的應力累積損傷對比

對比結(jié)論：優(yōu)化后的臺架試驗損傷包絡線與道路試驗損傷包絡線基本一致，說明臺架試驗的累積損傷與道路試驗的累積損傷處于同一水平。

3 臺架試驗參數(shù)的進一步優(yōu)化

由于臺架試驗時間27 h較長，從臺架的經(jīng)濟性考慮，再次對臺架試驗參數(shù)進行優(yōu)化。最終確定臺架試驗參數(shù)如表7所示，試驗時間18.5 h。后期再次開展臺架可靠性試驗驗證，以滿足要求。

表7 最終臺架試驗參數(shù)優(yōu)化

最終優(yōu)化后臺架試驗與道路試驗應力累積損傷對比如圖10所示。

圖10 最終優(yōu)化后臺架試驗和道路試驗的應力累積損傷對比

4 結(jié)語

現(xiàn)有臺架可靠性試驗方法，完全滿足裝配在汽車底盤前部位置的汽車零部件驗證。

裝配在汽車底盤后懸架中心至車架尾端范圍內(nèi)的零部件，例如：后輪擋泥板總成、尾燈總成、后置蓄電池框總成、儲氣筒總成等。振動來源主要受輪胎的激勵，影響因素較多，采用《JIS D 1601汽車零部件振動試驗方法》開展臺架可靠性試驗時，臺架試驗參數(shù)建議進行適應性的加強，便于驗證底盤后懸位置零部件的可靠性。

基于臺架與道路可靠性試驗累積疲勞損傷等效的原則優(yōu)化的臺架試驗參數(shù)，經(jīng)過多輪的疲勞測試，試驗結(jié)果表明可充分驗證汽車后懸位置零部件可靠性，可以幫助研發(fā)部門及時發(fā)現(xiàn)問題并改進設計，避免零件的過度設計或缺陷產(chǎn)生，有效縮短零部件的開發(fā)周期，提升經(jīng)濟效益。